EP1749335B1 - Überspannungsableiter - Google Patents

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EP1749335B1
EP1749335B1 EP05736417A EP05736417A EP1749335B1 EP 1749335 B1 EP1749335 B1 EP 1749335B1 EP 05736417 A EP05736417 A EP 05736417A EP 05736417 A EP05736417 A EP 05736417A EP 1749335 B1 EP1749335 B1 EP 1749335B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
surge arrester
contact element
arrester according
spring
outer electrode
Prior art date
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Expired - Fee Related
Application number
EP05736417A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1749335A1 (de
Inventor
Peter Bobert
Michael Mewes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP1749335A1 publication Critical patent/EP1749335A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1749335B1 publication Critical patent/EP1749335B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00—Details of spark gaps
    • H01T1/14—Means structurally associated with spark gap for protecting it against overload or for disconnecting it in case of failure

Definitions

  • the invention relates to a surge arrester having a short circuit mechanism between a center electrode and an outer electrode.
  • Surge arresters of the type mentioned are usually used to protect telecommunications equipment against transient overvoltages, such as those resulting from lightning strikes.
  • the outer electrode is short-circuited by means of an arc with the center electrode.
  • the arc extinguishes and the switching path between the middle and outer electrodes is again insulating.
  • arresters can be equipped with additional functions.
  • mechanisms for securing the arrester in a thermal overloading are known (English: Fail safe), in which between a spring clip and the outer electrode, a fuse made of solder material or an insulating film is arranged, the movement of the spring clip at too high a temperature releases, then bridges the switching path of the arrester between the center electrode and the outer electrode and thus short-circuited.
  • Such a surge arrester is z. B. from the document DE 101 34 752 known.
  • the short-circuit mechanism is triggered by heat in the event of a fault.
  • a surge arrester according to the preamble of claim 1 is known, which has both a fail-safe mechanism, which is formed by a fusible material between the gas cartridge and the end contacts, as well as a vent-safe mechanism. This provides in case of failure of the device, such as ventilation of the gas cartridge, an alternative discharge path over a spark gap between a spring clip, a contact element and the center electrode available.
  • Object of this invention is to provide a surge arrester, which is characterized in case of failure by a secure contact between the short-circuited electrodes.
  • a surge arrester is provided with a ceramic body, at least one outer electrode and at least one further electrode, in which an electrically conductive, spaced from the outer electrode by an air gap contact element is provided, which is normally biased by a spring mechanism.
  • the spring mechanism exerts on the contact element a spring force in the direction of the outer electrode.
  • Between the further electrode and the contact element an electrically conductive connection is provided.
  • the air gap between the outer electrode and the contact element is arranged in a preferably hermetically sealed cavity.
  • the contact element biasing spring mechanism is z. B. triggered by heat, wherein the contact element is released, is pressed by the spring force on the outer electrode, thus generating a short circuit between the outer electrode and the further electrode.
  • the further electrode is preferably a center electrode which is arranged between two outer electrodes.
  • the gel is used, for example, as moisture protection of the arrester.
  • the contact element is preferably arranged completely in the sealed cavity.
  • the cavity may be identical to the air gap.
  • the electrically conductive connection between the center electrode and the contact element is preferably designed in the form of a spring clip attached to the center electrode.
  • the spring clip exerts a spring force on an electrically conductive, spaced from the outer electrode contact element.
  • the contact element may, for. B. be fixed by means of a meltable mass in an opening of a metal plate, which is at least partially positively embedded in an insulating holder which is disposed between the metal plate and the outer electrode.
  • the contact element when the mass is not molten, the contact element is spaced from the outer electrode. In a molten mass, the contact element is pressed by the spring clip against the outer electrode.
  • the contact element protrudes into an opening of the metal plate and is fixed by means of a fusible mass in this metal plate.
  • the contact element is preferably formed as a metal bolt.
  • the meltable mass (for example solder, preferably soft solder) ensures a sealed closure of the closed cavity.
  • the fusible mass is required to fix the contact element in the metal plate and therefore may be provided in a small amount which must ensure that the contact element is retained in the metal plate.
  • the attachment of the contact element in the metal plate can be made with appropriate dimensioning of the bolt or the hole with a very small amount of meltable mass, resulting in the advantage of a quick release mechanism.
  • the metal plate with the preferably positively inserted metal bolt, which is preferably soft soldered into the opening of the metal plate is in a remote area of an insulating holder, the z. B. is formed as an insulating, preferably arranged positively.
  • the spring clip On the outwardly facing end face of the metal bolt in the direction of the outer electrode, a spring force is exerted to generate a bias of a fixed to the central electrode electrically conductive spring clip.
  • the spring clip also serves as the electrical connection between the center electrode and the metal stud.
  • the spring clip is preferably made of a spring material, for. B. made of spring steel.
  • the spring clip forms the spring mechanism.
  • the spring clip, the metal plate and the contact element together form a short-circuit mechanism.
  • the short-circuit mechanism comprises a metal plate electrically connected to the center electrode and a resilient contact element having a spring preferably formed as a leaf spring, the fixed end of which is preferably fixed to the metal plate and the free end of the unmeltable meltable mass is preferably held in the prestressed state at a distance from the outer electrode.
  • the spring mechanism is formed in this case by the resilient contact element itself.
  • the spring is preferably as a folded leaf spring, d. H. formed in a meandering cross-section with a plurality of meander sections, wherein the opposite sides of the respective meander section are resiliently compressed by a meltable mass or soldered together soft under bias.
  • the leaf spring is normally held by the meltable mass in a prestressed state at a distance from the outer electrode.
  • the collapsed leaf spring unfolds and creates a short circuit between the metal plate and the outer electrode.
  • This variant of the invention has the advantage, especially when using a viscous gel in the vicinity of the arrester, since the spring mechanism is arranged completely in the closed cavity and therefore isolated from the environment. By the complete separation from the environment, the movement of the released spring element can no longer be prevented by the gel.
  • the middle and outer electrodes are preferably made of copper.
  • the coefficient of thermal expansion of the copper differs greatly from that of the ceramic, which can affect the tightness of the interface between the ceramic body and the outer electrode under temperature load.
  • a ring or frame is used, which is fastened on the outer electrode (preferably hard soldered).
  • a material of the ring a material with a thermal expansion coefficient is preferably used, which is approximately equal to the expansion coefficient of the ceramic body, such as. FeNi.
  • the insulating holder is preferably inserted into the ring (eg FeNi ring) or frame in a form-fitting manner.
  • a tightly closed cavity in which the air gap between the outer electrode and the contact element is arranged.
  • the insulating holder can, for. Example, be used in a remote area of the outer electrode made of FeNi or a similar material with respect to thermal expansion outer electrode. In the latter case can be dispensed with the ring or frame.
  • the metal plate is pressed into the insulating holder and the insulating holder in the ring. This prevents the penetration of the gel into the closed cavity or into the air gap.
  • the metal plate is preferably made of brass or another suitable metal or metal alloy.
  • the insulating holder is preferably made of a temperature-resistant plastic whose melting temperature is above the melting temperature of the meltable mass, which is typically about 220 ° C.
  • the plastic is preferably characterized by a good spring action, which ensures a good interference fit between the insulating holder and the metal disc.
  • the heat generated at the outer electrode is transmitted to the contact element and the metal disc by the heat radiation of the outer electrode in the direction of the closed cavity.
  • the heat generated at the center electrode is transmitted to the contactor or metal disc through the spring clip.
  • FIG. 2 or 3 An exemplary surge arrester before and after the response of the spring mechanism is in Figures 2 or 3 shown.
  • Figure 1A shows a fragmentary schematic cross-section of a spring mechanism of a in FIG. 2 shown surge arrester.
  • the contact element 7 has the shape of a round bolt, which projects through a round hole in a metal plate 5 a.
  • the mechanical connection between the contact element 7 and the metal plate 5a is made by a fusible mass 6 along the hole edge of the metal plate 5a.
  • the metal bolt is soldered so soft in a metal plate 5a.
  • the fusible mass may be formed in an advantageous embodiment of the invention as a solder.
  • solderable materials for the contact element and the spacer element so a very simple connection between the contact element and spacer element is possible.
  • the tin alloys used for solder ensure that the connection between the contact element and the spacer element is quickly released with sufficient heat.
  • the metal plate 5a has a preferably centrally disposed opening for receiving the contact element 7.
  • the metal plate 5a is preferably in the form of a disk inserted in an insulating holder 5b.
  • the insulating holder 5b has a stepped portion for receiving the Metal plate 5a on.
  • the contact element 7 can, as in FIG. 1B indicated, at a lying between the outer electrode 2 and the metal plate 5a section 11 have a taper 12.
  • the spring mechanism further comprises an electrically conductive spring clip 3, which is attached to the center electrode 1 of the arrester, see Figures 2 and 3 ,
  • the spring clip 3 engages on the end face of the outer electrode 2 and holds the contact element 7 in a prestressed state by exerting on the outer end face of the contact element 7 a spring force F in the direction of the outer electrode 2.
  • the spring clip 3, the metal plate 5a and the contact element 7 are designed such that, when the meltable mass 6 becomes liquid, the spring clip 3 and the contact element 7 can slide along the opening of the metal plate 5a.
  • the contact element may in a variant of the invention mechanically fixedly connected to the spring clip 3 or be part of the spring clip 3.
  • a cavity 22 is formed between the contact element 7, the metal plate 5a, the insulating holder 5b and the outer electrode 2, a cavity 22 is formed.
  • the cavity 22 is sealed by the meltable mass 6.
  • the metal plate 5a is against the ring 16 and the insulating holder 5b each z. B. sealed by interference fit.
  • the ring 16 is soldered or welded on the outer electrode 2.
  • a gas-filled ceramic body 19 is arranged between the center electrode 1 and the outer electrode 2, a gas-filled ceramic body 19 is arranged.
  • the ceramic body is preferably filled with a noble gas.
  • the arrester is preferably formed symmetrically with two outer electrodes and optionally with respect to the center electrode.
  • the center electrode 1 is preferably arranged between two ceramic bodies.
  • the middle and outer electrodes 1, 2 are each connected by soldering with the ceramic bodies 19.
  • the middle and outer electrodes 1 and 2 are preferably made of Cu. However, it is possible in another variant that the middle and / or outer electrode consists of FeNi.
  • a ring 16 On the outer electrode 2 at the edge of a ring 16 is arranged, which preferably consists of an iron-nickel alloy. In the ring 16, the insulating holder 5b is inserted. The outer electrode 2 has, in the region facing the contact element 7, a recess for forming an air gap 20. The air gap 20 is arranged in the tightly closed cavity 22.
  • the FIG. 2 corresponds to the normal state of the surge arrester, ie the state before the response of the spring mechanism.
  • the spring clip 3 displaces the contact element 7 so far in the direction of the outer electrode 2 that the contact element 7 is under the application of a contact pressure, which in turn arises from the spring clip 3 (residual spring force). presses on the outer electrode 2, whereby the electrical contacting of the outer electrode 2 is achieved with the spring clip 3 and thus with the center electrode 1 when triggering the short-circuiting mechanism.
  • the fusible mass 6 melts due to the heat generated in the surroundings of the arrester.
  • the contact element 7 is released and pressed by the spring force F of the spring clip 3 on the outer electrode 2, see FIG. 3 , In this case, the center electrode 1 and the outer electrode 2 are short-circuited via the spring clip and the contact element 7.
  • FIGS. 4A to 6 a further embodiment is shown, in which the contact element 7 is biased by an elastic deformation.
  • the contact element 7 has a leaf spring 21 with a fixed end 21a and a free end 21b.
  • the fixed end 21a of the leaf spring is fixed to the metal plate 5c, e.g. B. brazed.
  • the free end 21b of the leaf spring is z. B. biased by soldering to the metal plate 5c or another portion (eg., Fixed end) of the leaf spring.
  • leaf spring 21 as in FIG. 4A shown schematically, in the form of a "concertina” is formed, the folded portions are held together in the normal state by soldering and thus biased.
  • the leaf spring 21 and the spring clip 3 can, for. B. be made of CuBe.
  • FIG. 4C is the spring mechanism inserted into the insulating holder 5b according to FIG FIG. 4A shown.
  • FIGS. 5 and 6 is the in FIGS. 4A and 4B schematically shown spring mechanism shown before or after the response.
  • FIG. 4C shown structure is, as in FIG. 5 indicated, preferably inserted by interference fit in the ring 16 or in a remote area of the outer electrode 2.
  • the metal plate 5c is pressed by the spring force of the spring clip 3 against the insulating holder.
  • the metal plate 5c has no openings.
  • the closed cavity 22 is formed between the outer electrode 2, the insulating holder 5b and the metal plate 5c. Movable parts of the spring mechanism (i.e., the contact element formed as a leaf spring) are here completely arranged in the closed cavity 22.
  • FIG. 5 It can be seen that the free end of the leaf spring 21 is held at a distance from the outer electrode 2, wherein an air gap 20 to be bridged in the event of a fault is formed therebetween.
  • FIG. 6 is the surge arrester according to FIG. 5 shown after the response of the spring mechanism.
  • the meltable mass 6 was softened by the heat of the flashover.
  • the free end of the leaf spring is pressed by the spring force against the outer electrode 2 and so over the metal disc and the spring clip secure contact between the outer and center electrode ago.
  • the invention is not limited to these. It is possible in principle, the interference fit of the parts used by another type of embedding, z. Pouring, to replace.
  • the invention is not limited to the number of schematically illustrated elements.
  • the safety mechanism described is of course not limited to the protection of only one switching path between the center electrode 1 and the outer electrode 2. By symmetrical completion and the second switching path between the center electrode 1 and the other outer electrode can be secured in a corresponding manner.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit einem Kurzschlussmechanismus zwischen einer Mittelelektrode und einer Außenelektrode.
  • Überspannungsableiter der eingangs genannten Art werden üblicherweise verwendet zum Absichern von Telekommunikationseinrichtungen gegenüber kurzzeitig auftretenden Überspannungen, wie sie beispielsweise aus Blitzeinschlägen resultieren. Dabei wird durch Zünden des Überspannungsableiters die Außenelektrode mittels eines Lichtbogens mit der Mittelelektrode kurzgeschlossen. Sobald das Auftreten der Überspannung beendet ist, erlischt der Lichtbogen und die Schaltstrecke zwischen Mittel- und Außenelektrode ist wieder isolierend.
  • Um die soeben beschriebene Schutzfunktion auch bei Ausfall eines Überspannungsableiters aufrecht zu erhalten, können Ableiter mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet werden. In diesem Zusammenhang sind Mechanismen zum Absichern des Ableiters bei einer thermischen Überbelastung bekannt (englisch: Fail safe), bei denen zwischen einem Federbügel und der Außenelektrode ein Schmelzelement aus Lotmaterial oder auch einer isolierenden Folie angeordnet ist, das bei zu hoher Temperatur die Bewegung des Federbügels freigibt, der dann die Schaltstrecke des Ableiters zwischen Mittelelektrode und Außenelektrode überbrückt und damit kurzschließt.
  • Ein solcher Überspannungsableiter ist z. B. aus der Druckschrift DE 101 34 752 bekannt. Der Kurzschlussmechanismus wird im Fehlerfall durch Wärme ausgelöst.
  • Aus der Druckschrift US 5,282,109 A ist ein Überspannungsableiter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, der sowohl einen fail-safe Mechanismus aufweist, der durch ein schmelzbares Material zwischen der Gaspatrone und den Endkontakten gebildet ist, als auch einen vent-safe Mechanismus. Dieser stellt bei Ausfall des Bauelements, wie beispielsweise einer Belüftung der Gaspatrone, eine alternative Entladungsstrecke über eine Funkenstrecke zwischen einem Federbügel, einem Kontaktelement und der Mittelelektrode zur Verfügung.
  • Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Überspannungsableiter anzugeben, der sich im Fehlerfall durch einen sicheren Kontakt zwischen den kurzzuschließenden Elektroden auszeichnet.
  • Diese Aufgabe ist durch den Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen gehen aus den weiteren Ansprüchen hervor.
  • Gemäß wenigstens einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Überspannungsableiter mit einem Keramikkörper, wenigstens einer Außenelektrode und wenigstens einer weiteren Elektrode angegeben, bei dem ein elektrisch leitendes, von der Außenelektrode durch einen Luftspalt beabstandetes Kontaktelement vorgesehen ist, welches im Normalfall durch einen Federmechanismus vorgespannt ist. Der Federmechanismus übt auf das Kontaktelement eine Federkraft in Richtung auf die Außenelektrode aus. Zwischen der weiteren Elektrode und dem Kontaktelement ist eine elektrisch leitende Verbindung vorgesehen. Der Luftspalt zwischen der Außenelektrode und dem Kontaktelement ist in einem vorzugsweise hermetisch dicht geschlossenen Hohlraum angeordnet. Der das Kontaktelement vorspannende Federmechanismus wird im Fehlerfall z. B. durch Wärme ausgelöst, wobei das Kontaktelement freigesetzt, durch die Federkraft auf die Außenelektrode gedrückt wird und so einen Kurzschluss zwischen der Außenelektrode und der weiteren Elektrode erzeugt.
  • Die weitere Elektrode ist vorzugsweise eine Mittelelektrode, die zwischen zwei Außenelektroden angeordnet ist.
  • Dadurch, dass der Hohlraum abgeschlossen ist, ist er bei Einbettung des Ableiters in ein Silikon-Gel gegen das Gel geschützt. Das Gel wird beispielsweise als Feuchtigkeitsschutz des Ableiters verwendet.
  • Das Kontaktelement ist vorzugsweise komplett im dicht abgeschlossenen Hohlraum angeordnet. Der Hohlraum kann mit dem Luftspalt identisch sein.
  • Die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Mittelelektrode und dem Kontaktelement ist vorzugsweise in Form eines an der Mittelelektrode befestigten Federbügels ausgeführt. Der Federbügel übt eine Federkraft auf ein elektrisch leitendes, von der Außenelektrode beabstandetes Kontaktelement aus.
  • Das Kontaktelement kann z. B. mittels einer schmelzbaren Masse in einer Öffnung einer Metallplatte befestigt sein, welche zumindest teilweise formschlüssig in einer isolierenden Halterung eingebettet ist, die zwischen der Metallplatte und der Außenelektrode angeordnet ist.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gilt: Bei nicht geschmolzener Masse ist das Kontaktelement von der Außenelektrode beabstandet. Bei einer geschmolzenen Masse ist das Kontaktelement durch den Federbügel gegen die Außenelektrode gedrückt.
  • In einer Variante der Erfindung ragt das Kontaktelement in eine Öffnung der Metallplatte hinein und ist mittels einer schmelzbaren Masse in dieser Metallplatte befestigt. Das Kontaktelement ist vorzugsweise als ein Metallbolzen ausgebildet.
  • Die schmelzbare Masse (z. B. Lot, vorzugsweise Weichlot) sorgt dabei für einen dichten Abschluss des geschlossenen Hohlraums. Die schmelzbare Masse ist erforderlich, um das Kontaktelement in der Metallplatte zu befestigen und kann daher in einer geringen Menge vorgesehen sein, die sicherstellen muss, dass das Kontaktelement in der Metallplatte festgehalten wird. Die Befestigung des Kontaktelements in der Metallplatte kann bei entsprechender Dimensionierung des Bolzens bzw. des Lochs mit einer sehr geringen Menge von schmelzbarer Masse hergestellt werden, wodurch sich der Vorteil eines schnellen Auslösemechanismus ergibt.
  • Die Metallplatte mit dem vorzugsweise formschlüssig eingefügten Metallbolzen, der in die Öffnung der Metallplatte vorzugsweise weich eingelötet ist, ist in einem abgesetzten Bereich einer isolierenden Halterung, die z. B. als eine Isolierscheibe ausgebildet ist, vorzugsweise formschlüssig angeordnet.
  • Auf die nach außen gewandte Stirnseite des Metallbolzens in Richtung der Außenelektrode wird zur Erzeugung einer Vorspannung von einem an der Mittelelektrode befestigten elektrisch leitenden Federbügel eine Federkraft ausgeübt. Der Federbügel dient auch als die elektrische Verbindung zwischen der Mittelelektrode und dem Metallbolzen. Der Federbügel ist vorzugsweise aus einem Federmaterial, z. B. einem Federstahl gefertigt.
  • Der Federbügel bildet den Federmechanismus. Der Federbügel, die Metallplatte und das Kontaktelement bilden zusammen einen Kurzschlussmechanismus.
  • Im Fehlerfall wird im Ableiter eine unzulässig hohe Erwärmung erzeugt, wobei die schmelzbare Masse schmilzt, weswegen das Kontaktelement durch den Federbügel gegen die Außenelektrode gedrückt wird, wobei zwischen der.Mittel- und Außenelektrode ein Kurzschluss erzeugt wird.
  • In einer weiteren Variante der Erfindung umfasst der Kurzschlussmechanismus eine elektrisch mit der Mittelelektrode verbundene Metallplatte und ein federndes Kontaktelement, das eine vorzugsweise als eine Blattfeder ausgebildete Feder aufweist, deren festes Ende vorzugsweise an der Metallplatte befestigt ist und deren freies Ende bei der nicht geschmolzenen schmelzbaren Masse vorzugsweise im vorgespannten Zustand im Abstand von der Außenelektrode gehalten wird. Der Federmechanismus ist in diesem Fall durch das federnde Kontaktelement selbst gebildet.
  • Die Feder ist vorzugsweise als eine zusammengefaltete Blattfeder, d. h. im Querschnitt mäanderförmig mit mehreren Mäandersektionen ausgebildet, wobei die einander gegenüberliegenden Seiten der jeweiligen Mäandersektion durch eine schmelzbare Masse federnd zusammengepresst bzw. unter Vorspannung weich zusammengelötet sind. Die Blattfeder wird im Normalfall durch die schmelzbare Masse in einem vorgespannten Zustand im Abstand von der Außenelektrode gehalten.
  • Wenn die schmelzbare Masse schmilzt und dabei ihre Festigkeit verliert, entfaltet sich die zusammengefaltete Blattfeder und erzeugt einen Kurzschluss zwischen der Metallplatte und der Außenelektrode.
  • Diese Variante der Erfindung hat den Vorteil besonders bei Verwendung von einem zähflüssigen Gel in der Umgebung des Ableiters, da der Federmechanismus vollständig im geschlossenen Hohlraum angeordnet und daher von der Umgebung isoliert ist. Durch die vollständige Trennung von der Umgebung kann die Bewegung des freigesetzten Federelements nicht mehr durch das Gel gehindert werden.
  • Die Mittel- und Außenelektrode bestehen vorzugsweise aus Kupfer. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kupfers unterscheidet sich stark von dem der Keramik, was bei Temperaturbelastung die Dichtigkeit der Schnittstelle zwischen dem Keramikkörper und der Außenelektrode beeinträchtigen kann. Zum Ausgleich der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Keramikkörper und der Cu-Elektrode wird ein Ring bzw. Rahmen benutzt, der auf der Außenelektrode befestigt (vorzugsweise hart aufgelötet) ist. Als Material des Rings wird vorzugsweise ein Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt, der annähernd dem Ausdehnungskoeffizienten des Keramikkörpers gleich ist, wie z. B. FeNi.
  • In einer bevorzugten Variante ist die isolierende Halterung in den Ring (z. B. FeNi-Ring) bzw. Rahmen vorzugsweise formschlüssig eingefügt. Dabei entsteht zwischen der Außenelektrode, der isolierenden Halterung und der Metallscheibe ein dicht geschlossener Hohlraum, in dem der Luftspalt zwischen der Außenelektrode und dem Kontaktelement angeordnet ist. Die isolierende Halterung kann z. B. bei einer aus FeNi oder einem bezüglich thermischer Ausdehnung ähnlichen Material gefertigten Außenelektrode in einen abgesetzten Bereich der Außenelektrode eingesetzt sein. Im letzteren Fall kann auf den Ring oder Rahmen verzichtet werden.
  • In bevorzugter Variante ist die Metallplatte in die isolierende Halterung und die isolierende Halterung in den Ring eingepresst. Dadurch wird das Eindringen des Gels in den geschlossenen Hohlraum bzw. in den Luftspalt verhindert.
  • Die Metallplatte besteht vorzugsweise aus Messing oder aus einem anderen geeigneten Metall oder einer Metalllegierung.
  • Die isolierende Halterung besteht vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen Kunststoff, dessen Schmelztemperatur über der Schmelztemperatur der schmelzbaren Masse, die typischerweise ca. 220°C beträgt, liegt. Der Kunststoff zeichnet sich vorzugsweise durch eine gute Federwirkung aus, die eine gute Presspassung zwischen der isolierenden Halterung und der Metallscheibe gewährleistet.
  • Im Fehlerfall, d. h. beim Überschreiten einer gewissen Grenzspannung Umax, entsteht ein Funkenüberschlag zwischen der Mittel- und Außenelektrode, wobei sich die Elektroden erwärmen.
  • Die an der Außenelektrode erzeugte Wärme wird auf das Kontaktelement und die Metallscheibe durch die Wärmeabstrahlung der Außenelektrode in Richtung des geschlossenen Hohlraums übertragen. Die an der Mittelelektrode erzeugte Wärme wird auf das Kontaktelement oder die Metallscheibe durch den Federbügel übertragen.
  • Im folgenden wird der Ableiter anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert: Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch
    • Figur 1A
    ausschnittsweise einen Federmechanismus eines in Figur 2 gezeigten Ableiters
    Figur 1B
    ausschnittsweise einen Federmechanismus mit einem verjüngten Kontaktelement
    Figur 2
    einen Ableiter im Normalzustand
    Figur 3
    den Ableiter gemäß Figur 2 beim Ansprechen des Fe- dermechanismus im Fehlerfall
    Figur 4A
    ausschnittsweise einen Federmechanismus eines in Figur 5 gezeigten Ableiters im vorgespannten Zu- stand
    Figur 4B
    den Federmechanismus gemäß Figur 4A beim Ansprechen des Federmechanismus im Fehlerfall
    Figur 4C
    den in eine Halterung eingesetzten Federmechanismus gemäß Figur 4A
    Figur 5
    einen weiteren Ableiter im Normalzustand
    Figur 6
    den Ableiter gemäß Figur 5 beim Ansprechen des Fe- dermechanismus im Fehlerfall
  • Ein beispielhafter Überspannungsableiter vor und nach dem Ansprechen des Federmechanismus ist in Figuren 2 bzw. 3 gezeigt.
  • Figur 1A zeigt ausschnittsweise im schematischen Querschnitt einen Federmechanismus eines in Figur 2 gezeigten Überspannungsableiters.
  • Das Kontaktelement 7 hat die Form eines runden Bolzens, der durch ein rundes Loch in einer Metallplatte 5a ragt. Die mechanische Verbindung zwischen dem Kontaktelement 7 und der Metallplatte 5a ist durch eine schmelzbare Masse 6 entlang des Lochrandes der Metallplatte 5a hergestellt. Der Metallbolzen ist in einer Metallplatte 5a also weich eingelötet.
  • Die schmelzbare Masse kann in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung als Lot ausgebildet sein. In Verbindung mit lötbaren Materialien für das Kontaktelement und das Distanzelement ist so eine sehr einfache Verbindung zwischen Kontaktelement und Distanzelement möglich. Zudem stellen die für Lot verwendeten Zinn-Legierungen sicher, dass die Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Distanzelement bei ausreichender Wärme schnell gelöst wird.
  • Die Metallplatte 5a weist eine vorzugsweise mittig angeordnete Öffnung zur Aufnahme des Kontaktelements 7 auf. Die Metallplatte 5a hat vorzugsweise die Form einer Scheibe, die in eine isolierende Halterung 5b eingesetzt ist. Die isolierende Halterung 5b weist einen abgesetzten Bereich zur Aufnahme der Metallplatte 5a auf.
  • Das Kontaktelement 7 kann, wie in Figur 1B angedeutet, an einem zwischen der Außenelektrode 2 und der Metallplatte 5a liegenden Abschnitt 11 eine Verjüngung 12 aufweisen.
  • Der Federmechanismus umfasst ferner einen elektrisch leitenden Federbügel 3, der an der Mittelelektrode 1 des Ableiters befestigt ist, siehe Figuren 2 und 3. Der Federbügel 3 greift auf die Stirnseite der Außenelektrode 2 über und hält das Kontaktelement 7 in einem vorgespannten Zustand, indem er auf die äußere Stirnfläche des Kontaktelements 7 eine Federkraft F in Richtung der Außenelektrode 2 ausübt.
  • Der Federbügel 3, die Metallplatte 5a und das Kontaktelement 7 sind so gestaltet, dass bei Flüssigwerden der schmelzbaren Masse 6 der Federbügel 3 und das Kontaktelement 7 entlang der Öffnung der Metallplatte 5a gleiten können.
  • Das Kontaktelement kann in einer Variante der Erfindung mechanisch fest mit dem Federbügel 3 verbunden oder Bestandteil des Federbügels 3 sein.
  • Zwischen dem Kontaktelement 7, der Metallplatte 5a, der isolierenden Halterung 5b und der Außenelektrode 2 ist ein Hohlraum 22 gebildet. Der Hohlraum 22 ist durch die schmelzbare Masse 6 abgedichtet. Die Metallplatte 5a ist gegen den Ring 16 und die isolierende Halterung 5b jeweils z. B. durch Presspassung abgedichtet. Der Ring 16 ist auf der Außenelektrode 2 aufgelötet oder aufgeschweißt. Somit wird ein dichter Abschluss des Hohlraums gegen ein Gel und ggf. Feuchte erreicht.
  • Zwischen der Mittelelektrode 1 und der Außenelektrode 2 ist ein gasgefüllter Keramikkörper 19 angeordnet. Der Keramikkörper ist vorzugsweise mit einem Edelgas gefüllt. Der Ableiter ist vorzugsweise mit zwei Außenelektroden und ggf. bezogen auf die Mittelelektrode symmetrisch ausgebildet. Die Mittelelektrode 1 ist vorzugsweise zwischen zwei Keramikkörpern angeordnet. Die Mittel- bzw. Außenelektroden 1, 2 sind jeweils durch Löten mit den Keramikkörpern 19 verbunden.
  • Die Mittel- und Außenelektrode 1 bzw. 2 besteht vorzugsweise aus Cu. Es ist aber in einer anderen Variante möglich, dass die Mittel- und/oder Außenelektrode aus FeNi besteht.
  • Auf der Außenelektrode 2 am Rand ist ein Ring 16 angeordnet, der vorzugsweise aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht. In den Ring 16 ist die isolierende Halterung 5b eingesetzt. Die Außenelektrode 2 weist in dem dem Kontaktelement 7 zugewandten Bereich eine Ausnehmung zur Bildung eines Luftspaltes 20 auf. Der Luftspalt 20 ist im dicht geschlossenen Hohlraum 22 angeordnet.
  • Die Figur 2 entspricht dem Normalzustand des Überspannungsableiters, d. h. dem Zustand vor dem Ansprechen des Federmechanismus. Durch entsprechende Gestaltung der Abmessungen der am Schutzmechanismus beteiligten Elemente kann erreicht werden, dass der Federbügel 3 das Kontaktelement 7 so weit in Richtung auf die Außenelektrode 2 verschiebt, dass das Kontaktelement 7 unter Aufbringung eines Kontaktdrucks, der wiederum vom Federbügel 3 (Restfederkraft) herrührt, auf die Außenelektrode 2 drückt, wodurch die elektrische Kontaktierung der Außenelektrode 2 mit dem Federbügel 3 und mithin mit der Mittelelektrode 1 beim Auslösen des Kurzschlussmechanismus erreicht wird.
  • Im Fehlerfall schmilzt die schmelzbare Masse 6 durch die in der Umgebung des Ableiters erzeugte Wärme. Dabei wird das Kontaktelement 7 freigelassen und durch die Federkraft F des Federbügels 3 auf die Außenelektrode 2 gedrückt, siehe Figur 3. In diesem Fall werden die Mittelelektrode 1 und die Außenelektrode 2 über den Federbügel und das Kontaktelement 7 kurzgeschlossen.
  • In Figuren 4A bis 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem das Kontaktelement 7 durch eine elastische Deformation vorgespannt wird.
  • Das Kontaktelement 7 weist eine Blattfeder 21 mit einem festen Ende 21a und einem freien Ende 21b auf. Das feste Ende 21a der Blattfeder ist an der Metallplatte 5c befestigt, z. B. hartgelötet. Das freie Ende 21b der Blattfeder wird z. B. durch Weichlöten mit der Metallplatte 5c oder einem anderen Abschnitt (z. B. festem Ende) der Blattfeder vorgespannt.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Blattfeder 21, wie in Figur 4A schematisch gezeigt, in Form einer "Ziehharmonika" ausgebildet ist, deren gefaltete Abschnitte im Normalzustand durch Weichlöten zusammengehalten und so vorgespannt werden.
  • Die Blattfeder 21 und der Federbügel 3 können z. B. aus CuBe gefertigt sein.
  • Im Fehlerfall schmilzt die schmelzbare Masse, wobei die durch das Falten vorgespannte Blattfeder freigelassen wird. Die zusammengefaltete Blattfeder springt auseinander. In Figur 4B ist die nach dem Ansprechen des Federmechanismus entfaltete Blattfeder gezeigt.
  • In Figur 4C ist der in die isolierende Halterung 5b eingesetzte Federmechanismus gemäß Figur 4A gezeigt.
  • In Figur 5 und 6 ist der in Figuren 4A und 4B schematisch dargestellte Federmechanismus vor bzw. nach dem Ansprechen gezeigt.
  • Das in Figur 4C gezeigte Gebilde wird, wie in Figur 5 angedeutet, vorzugsweise durch Presspassung in den Ring 16 oder in einen abgesetzten Bereich der Außenelektrode 2 eingesetzt. Hier wird die Metallplatte 5c durch die Federkraft des Federbügels 3 gegen die isolierende Halterung gepresst. Die Metallplatte 5c weist keine Öffnungen auf.
  • In dieser Variante der Erfindung ist der geschlossene Hohlraum 22 zwischen der Außenelektrode 2, der isolierenden Halterung 5b und der Metallplatte 5c gebildet. Bewegliche Teile des Federmechanismus (d. h. das als Blattfeder ausgebildete Kontaktelement) sind hier vollständig im geschlossenen Hohlraum 22 angeordnet.
  • In Figur 5 ist zu sehen, dass das freie Ende der Blattfeder 21 im Abstand von der Außenelektrode 2 gehalten wird, wobei dazwischen ein im Fehlerfall zu überbrückende Luftspalt 20 gebildet ist.
  • In Figur 6 ist der Überspannungsableiter gemäß Figur 5 nach dem Ansprechen des Federmechanismus gezeigt. Die schmelzbare Masse 6 wurde durch die Wärme des Funkenüberschlags aufgeweicht. Das freie Ende der Blattfeder wird durch die Federkraft gegen die Außenelektrode 2 gedrückt und stellt so über die Metallscheibe und den Federbügel den sicheren Kontakt zwischen der Außen- und Mittelelektrode her.
  • Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist prinzipiell möglich, die Presspassung der eingesetzten Teile durch eine andere Art der Einbettung, z. B. Eingießen, zu ersetzen. Die Erfindung ist nicht auf die Anzahl der schematisch dargestellten Elemente beschränkt. Der beschriebene Sicherungsmechanismus ist selbstverständlich nicht auf die Absicherung nur einer Schaltstrecke zwischen der Mittelelektrode 1 und der Außenelektrode 2 beschränkt. Durch symmetrische Ergänzung kann auch die zweite Schaltstrecke zwischen der Mittelelektrode 1 und der weiteren Außenelektrode in entsprechender Art und Weise abgesichert werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Mittelelektrode
    2
    Außenelektrode
    3
    Federbügel
    5a
    Metallplatte
    5b
    isolierende Halterung
    5c
    Metallplatte
    6
    schmelzbare Masse
    7
    Kontaktelement
    11
    Abschnitt des Kontaktelements 7
    12
    Verjüngung des Kontaktelements 7
    16
    Ring aus einer Eisen-Nickel-Legierung
    19
    Keramikkörper
    20
    Luftspalt zwischen dem Kontaktelement 7 und der Außenelektrode 2
    22
    Hohlraum
    21
    Blattfeder
    21a
    festes Ende der Blattfeder 21
    21b
    freies Ende der Blattfeder 21
    F
    Federkraft

Claims (24)

  1. Überspannungsableiter mit wenigstens einer Außenelektrode (2) und mindestens einer weiteren Elektrode (1),
    - bei dem ein elektrisch leitendes, von der Außenelektrode (2) durch einen Luftspalt (20) beabstandetes Kontaktelement (7) durch einen Federmechanismus vorgespannt ist, wobei der Federmechanismus auf das Kontaktelement (7) eine Federkraft (F) in Richtung auf die Außenelektrode (2) ausübt,
    - bei dem zwischen der weiteren Elektrode (1) und dem Kontaktelement (7) eine elektrisch leitende Verbindung vorgesehen ist,
    - wobei der Luftspalt (20) zwischen der Außenelektrode (2) und dem Kontaktelement (7) in einem dicht geschlossenen Hohlraum (22) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei thermischer Überbelastung ein elektrisch leitender Kontakt unmittelbar zwischen der Außenelektrode (2) und dem Kontaktelement (7) gebildet wird.
  2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1,
    bei dem die elektrisch leitende Verbindung zwischen der weiteren Elektrode (1) und dem Kontaktelement (7) in Form eines an der weiteren Elektrode (1) befestigten Federbügels (3) ausgeführt ist.
  3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1,
    bei dem der Federbügel (3) eine Federkraft (F) auf ein elektrisch leitendes, von der Außenelektrode (2) beabstandetes Kontaktelement (7) ausübt.
  4. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    bei dem das Kontaktelement (7) mittels einer schmelzbaren Masse (6) in einer Öffnung einer Metallplatte (5a) befestigt ist, wobei die Metallplatte (5a) zumindest teilweise formschlüssig in einer isolierenden Halterung (5b) eingebettet ist, die zwischen der Metallplatte (5a) und der Außenelektrode (2) angeordnet ist.
  5. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Kontaktelement (7) bei nicht geschmolzener Masse (6) von der Außenelektrode (2) beabstandet ist.
  6. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das Kontaktelement (7) bei geschmolzener Masse (6) durch den Federbügel (3) gegen die Außenelektrode (2) gedrückt ist.
  7. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem der Hohlraum (22) von dem Kontaktelement (7), der Metallplatte (5a), der isolierenden Halterung (5b) und der Außenelektrode (2) begrenzt ist.
  8. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Hohlraum (22) durch die Masse (6) abgedichtet ist.
  9. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem das Kontaktelement (7) mechanisch fest mit dem Federbügel (3) verbunden oder Bestandteil des Federbügels (3) ist.
  10. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem das Kontaktelement (7) die Form eines Bolzens aufweist.
  11. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem die Metallplatte (5a) eine Scheibe ist.
  12. Überspannungsableiter nach Anspruch 10 oder 11,
    bei dem das Kontaktelement (7) an einem zwischen der Außenelektrode (2) und der Metallplatte (5a) liegenden Abschnitt (11) eine Verjüngung (12) aufweist.
  13. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 2 bis 12, bei dem die schmelzbare Masse (6) Lot ist.
  14. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 2 bis 13, bei dem die Außenelektrode (2) am Rand einen Ring (16) aufweist, der aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht.
  15. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 2 bis 14, bei dem der Federbügel (3) aus einem Federstahl gefertigt ist.
  16. Überspannungsableiter nach Anspruch 1,
    - bei dem das Kontaktelement (7) im dicht abgeschlossenen Hohlraum (22) angeordnet ist.
  17. Überspannungsableiter nach Anspruch 16,
    - bei dem eine elektrisch leitende, in einer isolierenden Halterung (5b) zumindest teilweise eingebettete Metallplatte (5c) vorgesehen ist,
    - bei dem das Kontaktelement (7) eine Feder aufweist, deren festes Ende fest mit der Metallplatte (5c) verbunden ist.
  18. Überspannungsableiter nach Anspruch 17,
    bei dem das freie Ende der Feder mittels einer schmelzbaren Masse (6) in einem Abstand von der Außenelektrode (2) gehalten ist.
  19. Überspannungsableiter nach Anspruch 17 oder 18,
    bei dem das freie Ende der Feder bei geschmolzener Masse (6) gegen die Außenelektrode (2) gepresst wird.
  20. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem die Feder als eine Blattfeder (21) ausgebildet ist.
  21. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem die elektrisch leitende Verbindung zwischen der weiteren Elektrode (1) und dem Kontaktelement (7) in Form eines an der weiteren Elektrode (1) befestigten Federbügels (3) ausgeführt ist, der gegen die Metallplatte (5c) drückt.
  22. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 17 bis 21, bei dem die Feder als eine gefaltete Blattfeder ausgebildet ist, wobei die Falten der Blattfeder jeweils durch die Masse (6) federnd vorgespannt sind.
  23. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 22, der in einem Gel eingebettet ist.
  24. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 23, mit zwei Außenelektroden (2),
    wobei die weitere Elektrode (1) eine Mittelelektrode ist.
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